一种非同步辐射微束x射线荧光ct成像系统及方法
【专利摘要】本发明提出一种X射线源荧光CT成像系统，包括X射线源、多毛细管聚焦透镜、两个X射线强度探测器、样品控制台、荧光探测器以及数据处理系统。X射线管源发出的X射线光经过多毛细管聚焦透镜聚焦成微束平行光，照射到被检测样品，通过样品控制台控制被检测样品平移和转动，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光，利用荧光探测器对X射线荧光进行探测，数据处理系统将荧光探测器测得的X射线荧光光谱经分析处理得到X射线荧光CT的投影数据，将X射线强度探测器记录入射、出射X射线的强度进行计算得到透射CT投影数据，再通过透射CT投影数据以及X射线荧光CT投影数据对所述样品中元素分布和含量进行重建。
【专利说明】
一种非同步辐射微束X射线荧光CT成像系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种X射线成像方法，特别涉及一种非同步辐射微束X射线荧光CT方法。
【背景技术】
[0002]X射线荧光计算机断层成像(CT)方法是X射线CT和X射线荧光分析两种技术有机结合的产物，它通过测量特征X射线荧光进而重构出非放射性元素在样品内部的分布图像，该方法是一种无损检测技术，可同时测量样品中多种元素分布而不需要对样品进行破坏性处理。主要实验设备如图1所示，主要包括单色器13、限束装置14、两个X射线强度探测器5、荧光探测器7、样品台6以及数据处理系统。
[0003]在传统的X射线荧光CT方法中，同步辐射光源12经单色器13和限束装置14得到单色的X射线微束15，微束15照射到样品6'上，微束照射过程中样品6'被激发出的X射线荧光被荧光探测器7所记录，然后按照图1中箭头4所示方向平移样品进行扫描，扫描结束后按照箭头8所示方向以某一角度旋转样品6、然后再重复平移扫描过程，直至在整个360°圆周上扫描一遍;这样得到一组荧光能谱8，通过解X射线能谱得到一组某元素的荧光强度数据即X射线荧光CT的投影数据9计算机10就可以按照设计好的程序重构出关于探测平面的二维元素分布图像11 (图像的灰度值与元素浓度分布相对应)。
[0004]在传统的X射线荧光CT中，所采用的X射线源是同步辐射光源12，因同步辐射源设备昂贵且十分庞大不可移动，用其进行原位测量是不符合实际的，这就限制了该方法的广泛应用；另外，传统X射线荧光CT中，单色器13和限束装置14中使用的X射线聚焦、准直光学器件还存在X射线能量损耗大、聚焦能量单一等弊端。
[0005]20世纪90年代发展起来的导管X射线光学以及多毛细管光学元件实现了对大功率宽波段X射线的调控。如今，毛细管聚焦技术也已用于荧光微分析中对X射线源的聚焦，详细可参考文献:李坊佐，刘志国，孙天希，等.毛细管X光透镜三维共聚焦微束X射线荧光技术在岩矿样品分析中的应用[J].光谱学与光谱分析，2015(9)。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是提出一种基于毛细管聚焦技术的、非同步辐射X射线源荧光CT成像系统及方法，以实现对生物组织样品中元素含量和分布的原位测量。
[0007]本发明所采用的技术方案如下:
一种基于毛细管聚焦、非同步辐射X射线源荧光CT成像系统，包括X射线源、多毛细管聚焦透镜、两个X射线强度探测器、样品控制台、荧光探测器以及数据处理系统。在X射线源发出的X射线光路上设置多毛细管聚焦透镜和两个X射线强度探测器，两个X射线强度探测器之间为样品控制台，样品控制台上放置样品，并X射线管源发出的X射线光经过多毛细管聚焦透镜聚焦成微束平行光，照射到被检测样品，通过样品控制台控制被检测样品平移和转动，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光；荧光探测器设置在被检测样品下方，垂直于入射X射线方向，利用荧光探测器对所述X射线荧光进行探测；荧光探测器和X射线强度探测器与数据处理系统信号连接，数据处理系统将荧光探测器测得的X射线荧光光谱经分析处理得到X射线荧光CT的投影数据，将X射线强度探测器记录入射、出射X射线的强度进行计算得到透射CT投影数据，再通过透射CT投影数据以及X射线荧光CT投影数据对所述样品中元素分布和含量进行重建。
[0008]本发明进一步提出采用以上系统进行荧光CT成像方法，包括:
(1)将X射线源发出的X射线光经过多毛细管聚焦透镜聚焦成微束平行光，照射到被检测样品，将被检测样品平移和转动，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光；
(2)利用荧光探测器对所述X射线荧光进行探测，荧光探测器垂直于入射X射线方向，对某一区域内的所有荧光进行探测，得到X射线荧光光谱数据；
(3)对所述的X射线荧光光谱进行分析处理得到X射线荧光CT的投影数据；
(4)利用X射线强度探测器记录入射、出射X射线的强度，并计算出所述样品的透射CT投影数据;所述透射CT的投影数据也包括各荧光能量段CT投影数据，计算强度衰减系数与荧光X射线吸收系数用于元素分布和含量的重构。
[0009](5)根据所所述的透射CT投影数据以及X射线荧光CT投影数据对所述样品中元素分布进行重建；
其中，所述X射线源可采用普通X射线源，其管压、管流皆可调节。所述的多毛细管聚焦采用的是毛细管X光透镜，可以是一个或多个。
[0010]所述平移是将所述样品沿垂直于探测平面和入射X射线方向按入射微束X射线宽度等距离移动，直至扫描完整个探测平面。所述转动是将所述样品绕垂直于探测面的轴旋转，每次旋转相同角度(如1° )，直至在整个360°圆周上扫描一遍。
[0011]本发明的优点如下:用普通X射线管源取代庞大的同步辐射源使得成像系统得以简化，使原位检测成为可能。同时采用多毛细管X射线聚焦透镜代替单色器以及限束装置使得成像系统结构进一步的简化且成像结构更加稳定；多毛细管X射线聚焦透镜的使用也极大地降低了 X射线源能量的损耗;重构出的元素分布图像的空间分辨率由多毛细管聚焦透镜聚焦后的微束斑大小所决定。
【附图说明】
[0012]图1为传统X射线荧光CT成像系统的结构框图；
图2为本发明的基于多毛细管聚焦透镜微束X射线荧光CT成像系统的结构框图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图2给出本发明的【具体实施方式】。
[0014]本发明采用如图2所示的系统，包括X射线源1(具体采用X射线管)、多毛细管聚焦透镜2、两个X射线强度探测器5、样品控制台6、荧光探测器7以及数据处理系统。
[0015]本发明的微束X射线荧光CT方法工作原理如下:
X射线管源I发出的X射线形成的多色大光斑经过多毛细管聚焦透镜2聚焦成微束直接照射到样品V上，激发出样品6'内部的特征X射线荧光，上述荧光被荧光探测器7所记录，通过平移、旋转样品就可以得到一组X射线荧光光谱8，通过解算X射线荧光光谱数据可以得到一组荧光强度数据，即X射线荧光CT投影数据9。利用计算机10采用设计好的算法，导入投影数据即可重构出所探测平面的二维元素分布图像11(图像的灰度值与元素浓度分布相对应)。
[0016]本发明采取的重建方法可参考文献Hogan, J.P., et al.(1991).〃Fluorescent computer tomography: a model for correct1n of X-ray absorpt1n.Nuclear Science, IEEE Transact1ns on 38(6): 1721-1727.本发明采取的微束荧光CT方法主要操作包括:
(I)将X射线源I发出的多色X射线经多毛细管聚焦透镜2聚焦成多色微束X射线照射在样品V上，按图2中4所示方向，样品沿垂直于探测平面和入射X射线方向按入射微束X射线宽度等距离移动，直到该方向被完全扫描，然后将样品按图2中3所示方向，样品绕垂直于探测面的轴旋转一个角度，如1°，然后重复上述过程直到完成360°范围扫描。
[0017](2)利用X射线荧光探测器7采集上述X射线荧光，得到一组X射线荧光光谱数据8。
[0018](3)对上述X射线荧光光谱数据进行解析，提取一组某元素的荧光强度数据即荧光CT的投影数据9a;
(4)经过样品前、后的X射线强度数据可通过X射线强度探测器5进行探测，经过计算即可得到透射CT的投影数据9b;
(5)将全部投影数据9a和9b输入计算机10，此时通过设计好的程序即可求得关于探测面上二维元素的分布，元素分布图像11分辨率由多毛细管聚焦透镜决定。
[0019]其中，X射线聚焦后的微束在平移过程中应保证样品被恰好完全扫描。
[0020]其中，在有些情况下，需要进行自吸收校正，这时还需要额外测量各个荧光能量段的透射投影数据。
[0021]本发明提供了一种实验装置的改进方案:由于采用普通X射线管源，使得X射线荧光CT进行原位检测成为可能，与传统X射线荧光CT相比，成像系统结构得到了极大地简化，构建系统成本也极大地降低；由于采用多毛细管聚焦透镜代替传统荧光CT中的单色器和聚焦以及线束装置使得成像系统进一步简化同时也极大地减小X射线能量到达样品之前的损耗。
【主权项】
1.一种基于毛细管聚焦、非同步辐射X射线源荧光CT成像系统，包括X射线源(1)、多毛细管聚焦透镜(2)、两个X射线强度探测器(5)、样品控制台(6)、荧光探测器(7)以及数据处理系统;其特征在于:在X射线源(I)发出的X射线光路上设有多毛细管聚焦透镜(2)和两个X射线强度探测器(5)，两个X射线强度探测器之间为样品控制台(6)，样品控制台上放置样品，并X射线源发出的X射线光经过多毛细管聚焦透镜聚焦成微束平行光，照射到被检测样品，通过样品控制台控制被检测样品平移和转动，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光;荧光探测器(7)设置在被检测样品下方，垂直于入射X射线方向，利用荧光探测器对所述X射线荧光进行探测；荧光探测器和X射线强度探测器与数据处理系统信号连接，数据处理系统将荧光探测器测得的X射线荧光光谱经分析处理得到X射线荧光CT的投影数据，将X射线强度探测器记录的入射、出射X射线的强度进行计算得到透射CT投影数据，再通过透射CT投影数据以及X射线荧光CT投影数据对所述样品中元素分布和含量进行重建。2.根据权利要求1所述的基于毛细管聚焦、非同步辐射X射线源荧光CT成像系统，其特征在于，所述X射线源采用管压、管流皆可调节的X射线源。3.根据权利要求1所述的基于毛细管聚焦、非同步辐射X射线源荧光CT成像系统，其特征在于，所述多毛细管聚焦透镜采用的是毛细管X光透镜，可以是一个或多个。4.利用权利要求1-3所述系统进行荧光CT成像的方法，包括以下步骤: (1)将X射线源发出的X射线光经过多毛细管聚焦透镜聚焦成微束平行光，照射到被检测样品，将被检测样品平移和转动，X射线光与被检测样品中的物质相互作用而产生荧光； (2)利用荧光探测器对X射线荧光进行探测，所述的荧光探测器垂直于入射X射线方向，得到X射线荧光光谱数据； (3)对所述的X射线荧光光谱进行分析处理得到X射线荧光CT的投影数据； (4)利用X射线强度探测器记录入射、出射X射线的强度，并计算出所述样品的透射CT投影数据； (5)根据所述的透射CT投影数据以及X射线荧光CT投影数据对所述样品中元素分布和含量进行重建。5.根据权利要求4所述的荧光CT成像方法，其特征在于，所述平移是将所述样品沿垂直于探测平面和入射X射线方向按入射微束X射线宽度等距离移动，直至扫描完整个探测平面;所述转动是将所述样品绕垂直于探测面的轴旋转，每次旋转相同角度，，直至在整个360°圆周上扫描一遍。6.根据权利要求1所述的荧光CT成像方法，其特征在于，所述透射CT投影数据包括各荧光能量段CT投影数据，计算强度衰减系数与荧光X射线吸收系数用于元素分布和含量的重构。
【文档编号】G01N23/223GK105842267SQ201610181077
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】蒋上海, 冯鹏, 魏彪, 何鹏, 陈绵毅, 邓露珍
【申请人】重庆大学